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tiwekacontentpdf_n3801 v1Ce document a ete delivre pour le compte de 7200034092 - // charlotte PALMA // 195.25.183.153Ce document a ete delivre pour le compte de 7200034092 - // charlotte PALMA // 195.25.183.153––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––MOUSSES MÉTALLIQUESMasse : 210 g50 mmMasse : 268 g50 mmMasse : 414 g50 mmRth : 1,2 K.W -1 Rth : 1,3 K.W -1 Rth : 1,4 K.W -1Radiateur à alvéolesRadiateur extrudé en URadiateur extrudé courbeFigure 15 – Exemple d’évolution de la résistance thermique (Rth) sur un refroidisseur de diode (source : Alveotec étude Piséo CEA Grenoble)thermique est faible dans le cas d’une circulation d’air, mais augmenteconsidérablement dans le cas de l’eau.& Convection naturelleLe remplissage du vide existant entre les ailettes d’un refroidisseurd’élément électronique, par une mousse de faible densité, setraduit par un gain jusqu’à un facteur 2 sur le transfert thermique.L’étude de la figure 15 fait état d’un gain de 8 à 16 % en résistancethermique en diminuant sensiblement la masse del’échangeur.100Al 10 ppiAl 40 ppiTransfert massique104.1.3 Modèles et simulationParution : juin 2015 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200034092 - // charlotte PALMA // 195.25.183.153De nombreux modèles sont proposés qui étudient les échangesde chaleur et/ou les pertes de charges en intégrant les effets desvariations thermiques, de la porosité, du régime du fluide... [15].Les corrélations observées dans la littérature entre perte decharge et transferts de chaleur, sur des échangeurs en moussesmétalliques, sont généralement classées en trois catégories :– celles où les corrélations sont indépendantes de la géométriede l’échangeur et ne dépendent que de la microstructure de lamousse ;– le cas des échangeurs de forme tubulaire en moussemétallique ;– le cas des échangeurs à canaux remplis de mousses.Parmi les modèles proposés [15] pour ces différents cas, certainsont été implémentés dans des calculateurs et permettent de simuleret/ou de calculer des échangeurs thermiques sans avoir recoursà des essais sur bancs qui se révèlent souvent longs etcoûteux [20].4.1.4 Efficacité de la mousse métalliquedans des échangeurs thermiquesDes comparaisons [15] faites sur deux types d’échangeur, deforme tubulaire et à canaux, permettent d’évaluer l’efficacité réellede l’emploi d’une mousse métallique en prenant en considérationle transfert de chaleur au regard de la puissance de pompagenécessaire pour vaincre les pertes de charge. Les fluides étudiéssont l’eau froide et un mélange air/CO 2 (à 10 %). Le tableau 4, quiconcerne l’étude d’échangeurs avec un fluide gazeux, récapitule lesprincipales données publiées.Nota : Le facteur de performance établi intègre les pertes de charges supplémentaireset les gains d’échange de chaleur. Il se définit comme le pourcentage du ratio, avec etsans mousse, de la différence entre le flux de chaleur transmis et la puissance de pompagenécessaire.Les résultats de ces tests attestent d’un gain de performancepotentiel important lors de l’utilisation de mousse métalliquedans un échangeur, entre 500 et 1 300 % suivant les modes.11 10 100 1 000Nombre de Reynolds ReFigure 16 – Transfert massique en fonction du nombre de Reynoldspour deux mousses d’aluminium de taille de pores différentestraversées par un gaz (d’après [21])4.2 Transfert thermique4.2.1 ApplicationsCette fonction n’est souvent que complémentaire à une fonctionprincipale apportée par la mousse métallique, comme par exemple,l’utilisation d’une grande surface spécifique.Les propriétés sont similaires à celles évoquées ci-avant dans ledomaine des échangeurs thermiques (§ 4.1). Même si la fonctionprincipale pilote le dimensionnement, l’aspect échange thermiquereste important pour les applications catalytiques où les élévationsde températures sont néfastes. La figure 16 illustre les évolutionsde transfert thermique massique dans des réacteurs équipés demousses métalliques de 2 tailles de cellules différentes.Par rapport aux échangeurs thermiques, certaines applicationsutilisent la surface spécifique et la conductivité de la mousse métalliqueavec des vitesses de circulation de fluide faibles, voire nulles.C’est, par exemple, le cas pour l’utilisation des mousses métalliquesdans les réservoirs de carburant ou dans le stockage d’énergieou encore l’utilisation de matériau à changement de phase àl’intérieur d’une mousse conductrice.4.2.2 Caractéristiques clésDe toutes les caractéristiques de transfert thermique, le rayonnementest sans doute celle dont les mécanismes sont les plus complexeset les moins bien connus. En effet, le mélange mousse air nepeut pas être facilement décrit à partir des propriétés de deuxCopyright © - Techniques de l’Ingénieur - Tous droits réservés N3801–11
tiwekacontentpdf_n3801 v1Ce document a ete delivre pour le compte de 7200034092 - // charlotte PALMA // 195.25.183.153Ce document a ete delivre pour le compte de 7200034092 - // charlotte PALMA // 195.25.183.153MOUSSES MÉTALLIQUES ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––Tableau 4 – Gains apportés par l’emploi de mousses métalliques dans un échangeur (d’après [15])Structure de l’échangeur Tube CanalÉlément Unité ValeursVitesse du gaz (m.s -1 ) 5 10 10 5Débit du gaz (m 3 .s -1 ) 3,93.10 -4 7,85.10 -4 3,14.10 -4 3,93.10 -4Nombre de Reynolds du gaz chaud – 2 108 4 216 8 433 1 869,7f Coefficient de frottement – 0,637 0,429 0,429 4,130DP/L Perte de charges (Pa.m -1 ) 5 754 15 481 15 481 10 965,7Pp ̇η = 100 / LPuissance pompage(efficacité pompage = 100 %)(W.m -1 ) 2,26 12,15 48,6 4,31Conduit +moussePp ̇η = 100 / LPuissance pompage(efficacité pompage = 30 %)(W.m -1 ) 7,53 40,50 162,00 14,37Nu Nombre de Nusselt – 700 1 400 2 100 98,2h Coefficient de transfert de chaleur (W.m -2 .K -1 ) 2 296 4 592 3 444 363,46q/L Flux/longueur mousse (W.m -1 ) 563 611,37 1014,15 86,94Parution : juin 2015 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200034092 - // charlotte PALMA // 195.25.183.153Conduit seulBilanN3801–12f Coefficient de frottement – 0,045 0,038 0,031 0,034DP/L Perte de charges (Pa.m -1 ) 52,9 178,7 72,9 45,1Pp ̇η = 100 / LPp ̇η = 100 / LPuissance pompage(efficacité pompage = 100 %)Puissance pompage(efficacité pompage = 30 %)(W.m -1 ) 0,021 0,14 0,229 0,018(W.m -1 ) 0,07 0,467 0,763 0,06Nu Nombre de Nusselt – 9,34 16,27 28,33 3,61h Coefficient de transfert de chaleur (W.m -2 .K -1 ) 30,6 53,4 46,46 13,36q/L Flux/longueur mousse (W.m -1 ) 44,28 73,64 127,6 5,67DP/L (avec mousse) /DP/L (seul) Augmentation de perte de charge – 109 87 212 243q/L (avec mousse) / q/L (seul) Gain en échange de chaleur – 13 8 8 15( q − Pp η̇) avec mousse −q − Ppη̇seul/q Ppη̇seul( ) ( − )Facteur de performance(efficacité pompage = 100 %)Facteur de performance(efficacité pompage = 30 %)Copyright © - Techniques de l’Ingénieur - Tous droits réservés% 1 167 715 658 1 362% 1 156 680 572 1 194
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